3D-Stadtmodellierung auf heterogenen Ausgangsmodellen mittels evolutionärer Algorithmen

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1 Institut für Kartographie und Geoinformation 3D-Stadtmodellierung auf heterogenen Ausgangsmodellen mittels evolutionärer Algorithmen Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) der Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität zu Bonn vorgelegt am von Dipl.-Inform. Björn Weitzig aus Düsseldorf

2 Referent: Korreferent: Professor Dr.-Ing. Dieter Morgenstern Institut für Kartographie und Geoinformation, Universität Bonn Professor Dr. rer. nat. Hans-Peter Helfrich Mathematisches Seminar der Landwirtschaftlichen Fakultät, Universität Bonn Tag der mündlichen Prüfung: 22. Februar 2007 Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn online elektronisch publiziert. Erscheinungsjahr: 2007

3 Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahrens zur flexiblen und effizienten 3D-Stadtmodellierung im Kontext der Verfügbarmachung von 3D- Stadtmodellen. Ausgangspunkt ist die Heterogenität existierender und zukünftiger Modelle mit dem Ansatz, diese in einem gemeinsamen Datenpool zusammenzuführen, modellübergreifende Beziehungen festzustellen und ein umfassendes Zielmodell automatisch zu erreichen. Die Ausgangsmodelle können verschiedenster Auflösung, Qualität, Vollständigkeit, Herkunft, Formates und auch zueinander widersprüchlich sein. Die Bildung des Zielmodells stellt sich als komplexes Optimierungsproblem dar, wofür sich die aus der Informatik kommenden Evolutionären Algorithmen (EA) als neuartiges Verfahren bewährt haben. Die EA bilden die Darwinsche Evolutionstheorie auf mathematische Probleme ab, indem Datensätze als Individuen betrachtet werden, die sich vermehren, beeinflussen, ändern und sterben. Ein Bewertungssystem lässt die heterogene Menge von Individuen nach dem Grundsatz Survival of the fittest auf ein Zielmodell zusteuern. Um die Methodik der EA auf die 3D-Stadtmodellierung zu übertragen, wird ein zugleich den Anforderungen der EA, der Ausgangsmodelle und der 3D- Stadtmodellierung genügendes Datenmodell entworfen. Das EA-Modell wird, ausgehend vom Stand der Forschung, problemspezifisch analysiert, angepasst und erweitert. Die Ausgangsdaten werden durch Operatoren, die als Implementierungen der EA-Grundrechenarten wirken, zum Ziel geführt. Es wird ein Pool von Operatoren entworfen, sowohl einzeln als auch im komplexen Zusammenspiel der EA analysiert und anhand praktischer Beispiele anschaulich dargestellt. Das Verfahren kann auf den Umgang mit sich überlappenden heterogenen Datensätzen verallgemeinert werden.

4 Abstract This thesis introduces a new approach for flexible and efficient 3D city modeling. The approach establishes a comprehensive and consistent target model out of a set of existing heterogeneous basic models. To this aim, first a unified data pool is built from the set of basic models. Then the target model is derived automatically from the pool by transforming the basic models and detecting their relations. The basic models may vary widely with respect to resolution, quality, coverage and data format. Moreover, the basic models may even be partially contradictory to one another. Thus, the derivation of a target model is a complex optimization problem. Evolutionary algorithms (EA), known from the discipline of computer science, are an up-to-date method to resolve these problems.the basic idea of EA is to transfer mechanisms inspired by Darwin s theory of evolution. All data sets are treated as individuals, which may reproduce, mutate, recombine and die. By using an adequate survival of the fittest evaluation system the individuals are converging towards a target model. To apply EA in our context, a data model has to be specified that satisfies the requirements of EA, the basic models and the 3D city modeling. Based on the current state of the art in both EA and 3D city modeling, the EA-model is analyzed, adapted and extended. The data sets converge towards the target by operators, which realize EA basic calculations. A set of operators is designed. Their single and combined effects are analyzed in the given context. The results are demonstrated with practical examples. The approach can be generalized towards overlapping, heterogenous data sets. Erklärung Hiermit erkläre ich, die vorliegende Arbeit selbstständig erstellt und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt zu haben. Bonn, den 9. Juli 2006

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Anwendungsgebiete Ziele der Arbeit Gliederung und Aufbau Stadtmodellierung Vorhandene Verfahren CAD - Modellierwerkzeuge Geländemodellierer Photogrammetrische Verfahren Grundrissbasierte Verfahren D-Scanner Weitere monolithische Verfahren Verfahren mit Monte-Carlo-Techniken Modulare Verfahren Gesamtbewertung Einordnung in die 3D-Geovisualisierung Allgemeine Betrachtung der 3D-Geovisualisierung Visualisierungspipeline Schnittstellen

6 6 Inhaltsverzeichnis 3 Datenquellen Einführung Vektordaten D-Vektordaten Digitale Landschaftsmodelle D-Vektordaten Rasterdaten Fassadenbilder Luft- und Satellitenbilder und ihre Folgemodelle Laserscannerdaten COP-Bilder Semantische Daten Attributive Informationen Relationen Bewertung Evolutionäre Algorithmen Einführung Datenmodell Einführung Anforderungen an das Datenmodell Entwurf des Datenmodells Bewertungssystem Allgemeine Gütemaße Modellspezifische Gütemaße Entwurf des erweiterten EA-Modells Äußerer Ablauf des Verfahrens Ablauf der Berechnung

7 Inhaltsverzeichnis Mutationslevel Populationsgrößenabhängige Elimination Teilbeschreibungen Abschließende Diversität Frühelimination Fehlerkorrektur durch Rekombination Vermeidung doppelter Aufrufe Spezialisierte Operatoren Initialisierung Rekombination Mutation Neugenerierung Elimination Abbruchkriterien Bewertung Hypothesen Einführung Allgemeines Hypothesen aufgrund von Fassadenbildern Hypothesen aufgrund von Grundrissen Hypothesen aufgrund von 3D-Modellen Bewertung Evaluation Einführung Test kombinierter Operatoren Einfache Rekombination Photogrammetrie und Entzerrung anhand eines Balkons 129

8 8 Inhaltsverzeichnis Modellierung einer breiten, gewölbten Fassade Digitalisierung eines Grundrisses auf ein Luftbild Rekonstruktion eines Satteldaches ohne Höhenangaben Rekonstruktion einer breiten Fassade ohne Hilfspunkte Gesamttest Schadow-Arkaden Wilhelmstraße Düsseldorf Altstadt Heiligendamm dw als Produkt Implementation Einführung Genutzte Werkzeuge dw Benutzeroberfläche Klassenstruktur der Modulsysteme Datenkonsistenz und Laufzeitverhalten Bewertung Fazit 151 A Grundlagen 155 A.1 Definitionen A.2 Mathematische Grundlagen A.3 Photogrammetrische Verfahren Abbildungsverzeichnis 169 Literaturverzeichnis 173 Index 187

9 Kapitel 1 Einleitung Dieses Kapitel stellt Anwendungsgebiete von 3D-Stadtmodellen vor, legt die Ziele dieser Arbeit fest und behandelt ihren weiteren Aufbau. 1.1 Anwendungsgebiete 3D-Stadtmodelle werden in vielen Gebieten und mit steigender Nachfrage eingesetzt. Ihre Nutzung kann in die Gebiete Stadtplanung, Visualisierung, Navigation und physikalische Modelle aufgeteilt werden [Kolbe 1999; Thiemann 2003]. In der Stadtplanung werden 3D-Bestandsmodelle um weitere Planungsvorhaben (Architekturentwürfe) ergänzt, um so eine Architektur-Simulation und einen Vergleich des Bestandes mit der Planung im Gesamtkontext erreichen (a) (b) Abbildung 1.1: Planung am Bonner Hauptbahnhof (Sicht vom Busbahnhof): a) aktueller Bestand und b) Planung

10 10 Einleitung Abbildung 1.2: Das von Siemens VDO Automotive entwickelte 3D-Navigationssystem Mobile Navigator zu können. Diese Modelle unterstützen und beeinflussen die Entscheidungsfindung bei Bauvorhaben. Als aktuelles Beispiel sei die geplante Neubebauung um den Bonner Hauptbahnhof aufgeführt, zu der zahlreiche dreidimensionale Darstellungen veröffentlicht und in die Entscheidungsfindung einbezogen wurden (Abb. 1.1, Die Visualisierung wird in der Werbung und zur Tourismusförderung genutzt. In der Werbung werden häufig Bestandsmodelle um weitere Objekte oder Informationen ergänzt, um so die eigenen Geschäftsräume oder Produkte in einem passenden Umfeld wunschgemäß zu präsentieren. Zur Tourismusförderung stellen immer mehr Städte Bilder und 3D-Stadtmodelle von Sehenswürdigkeiten in das Internet oder drucken Standbilder in Prospekten ab. Virtuelle Stadtrundgänge vermitteln aus der Ferne einen Eindruck der Stadt. Weitere Visualisierungsanwendungen sind Wirtschaftsförderung und die Vorbereitung von Großveranstaltungen [AG 3D-Stadtmodelle 2004, Kap. 5.2]. Mit den Navigationssystemen in Fahrzeugen hat sich die 2D-Computernavigation endgültig durchgesetzt. Erste Projekte, diese Systeme zur verbesserten Orientierung um 3D-Modelle zu ergänzen, existieren bereits [Thiemann 2003, Seite 185]. Siemens will sein 3D-Navigationssystem Mobile Navigator (Abb. 1.2) bis Ende 2007 zur Serienfertigung bringen [Siemens VDO 2005]. Weiterhin werden solche Systeme auf Handhelds übertragen und sind mittlerweile als GPS-gestützter PDA mit Navigationssoftware im Handel erhältlich, wobei auch dort die Ergänzung um 3D-Informationen bei steigender Hardwareleistung ansteht. Physikalische Modelle sind eine weitere Einsatzmöglichkeit von 3D-Stadtmodellen. Die Ausbreitung und Belastung mit Schall, elektromagnetischen Wellen

11 Einleitung 11 und Schadstoffen sowie Wasser und Feuer im Katastrophenfall kann ermittelt werden, wobei das 3D-Stadtmodell sowohl zur Berechnung der Daten als auch zu ihrer Darstellung dient. Die Schweiz hat eine landesweite GIS-basierte Lärmdatenbank ausgeschrieben. Ziel ist laut Strategiepapier des Umweltamtes der Aufbau eines strategischen Controlling-Systems, damit der Fortschritt und der zukünftige Handlungsbedarf in der Lärmbekämpfung gemäß neuer Strategie umgesetzt werden kann. [BUWAL 2003, Seite 29]. Da die Ausbreitung von Funkwellen stark durch Gebäude beeinflusst wird, werden Standorte von Mobilfunkmasten durch Simulationen auf Basis von 3D- Stadtmodellen ermittelt [Siebe u. Büning 1997]. Die Nutzung von 3D-Stadtmodellen erfordert deren Erstellung und Fortführung, was mit den vorhandenen Verfahren (Kap. 2.1) in der gewünschten Auflösung von mindestens LoD 3 (Kap. A.1) nur mit erheblichem manuellen Arbeitsaufwand möglich ist. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Ansatz zur Reduzierung dieses Arbeitsaufwandes. 1.2 Ziele der Arbeit Primäres Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur flexiblen und effizienten 3D-Stadtmodellierung im Kontext der Verfügbarmachung von 3D-Stadtmodellen. Hierzu wird eine Reihe von sekundären Zielen definiert. Bei der Stadtmodellierung gilt: Durch die hochdetaillierte Automatisierte Liegenschaftskarte (ALK) und zahlreiche Spezialprojekte im Bereich der Geodatenerfassung und -nutzung existiert oft bereits eine umfangreiche heterogene hochaufgelöste raumbezogene Datengrundlage. 3D-Stadtmodelle enthalten in ihrer Struktur Regelmäßigkeiten, wie z.b. rechte Winkel oder vertikal stehende Seitenwände. Unter Berücksichtigung sowohl der vorhandenen Modelle als auch der möglichen Regeln ist eine effiziente 3D-Stadtmodellierung denkbar. Die Ausgangsmodelle können unter anderem in Form von Grundrissen, Fassadenbildern, 3D-Modellen, Luftbildern und semantischen Daten vorliegen (Kap. 3) und verschiedenster Auflösung, Qualität, Vollständigkeit, Aktualität und Herkunft sein. Es muss untersucht werden, wie die heterogenen und möglicherweise zueinander widersprüchlichen Ausgangsmodelle in einem gemeinsamen Datenpool

12 12 Einleitung zusammengeführt, dort bearbeitet und modellübergreifende Beziehungen gesetzt werden können. Dazu ist ein geeignetes Datenmodell zu entwickeln. Die in 3D-Stadtmodellen auftretenden Regelmäßigkeiten können durch Hypothesen abgebildet werden (Kap. 4.6). Durch die Hypothesen und heterogenen Ausgangsmodelle stellt sich die Findung eines umfassenden Zielmodells als komplexes Optimierungsproblem dar. Hierfür haben sich in anderen Disziplinen die Evolutionären Algorithmen (EA) bewährt [Streichert 2001, Kap. 2]. Die EA (Kap. 4.1) orientieren sich an der Darwinschen Evolutionstheorie [Darwin 1859, 1871] und bilden, beginnend mit den Ausgangsmodellen, einen iterativen Rahmen zur Weiterentwicklung über viele Stufen (Generationen) und parallele Wege (Individuen) hin zu einem optimalen Zielmodell. Dabei werden Individuen verschmolzen, modifiziert, neu erzeugt, eliminiert und bewertet, bis ein Abbruchkriterium (Kap ) erfüllt wird. Es soll daher untersucht werden, ob das Konzept der EA auf ein Verfahren zur Modellierung und Erzeugung von 3D-Stadtmodellen übertragen werden kann. Hierzu muss das Datenmodell den EA, den Ausgangsmodellen und der Stadtmodellierung genügen. Das allgemeine EA-Modell muss problemspezifisch analysiert, angepasst und erweitert werden. There is no absolutely best method but only the optimal choice under certain circumstances. [Yang u. a. 2004, Kap. 5] Es wird ein erweiterbares Verfahren angestrebt, in das sowohl bereits bekannte als auch speziell neu entwickelte Methoden flexibel einfließen können. Durch die Nutzung unterschiedlicher Methoden aus den Bereichen der Geometrie, Photogrammetrie, Parameterschätzung und Informatik soll unter dem Dach der EA ein optimales Ergebnis erzielt werden. Die vorliegenden Verfahren wurden vom Verfasser in das Softwareprodukt 3dw umgesetzt, welches zur Evaluation diente und bereits erfolgreich als Produkt vertrieben wird (Kap. 5.4). 1.3 Gliederung und Aufbau Diese Arbeit gliedert sich im wesentlichen in die vier Teile Bestandsaufnahme, Ausgangsdaten, Entwurf des Verfahrens und Evaluation, die in jeweils einem Kapitel beschrieben werden. Nach der Einleitung werden in der Bestandsaufnahme in Kap. 2 zuerst vorhandene Verfahren der Stadtmodellierung untersucht. Die Verfahren sind thematisch geordnet und werden jeweils neutral vorgestellt und dann bezüglich der Problemstellung bewertet. Nach einer Übersicht modularer Verfahren folgt

13 Einleitung 13 eine Gesamtbewertung. Der zweite Teil der Bestandsaufnahme stellt Konventionen und Standards vor und ordnet die Arbeit diesbezüglich ein. Die Ausgangsdaten als Basis des Verfahrens werden in Kap. 3 nach Typ und Art gegliedert erörtert. Dabei werden jeweils nach einer allgemeinen Vorstellung die Besonderheiten untersucht und gezeigt, welche Informationen genutzt werden können. Der Entwurf des neuen Verfahrens in Kap. 4 stellt den Kern der Arbeit dar. Als neuartiger Ansatz zur Lösung des komplexen Optimierungsproblems der 3D- Stadtmodellierung wird die bereits bei anderen Problemen bewährte Methode der Evolutionären Algorithmen (EA) auf die Aufgabenstellung übertragen. Nach einer Einführung in die EA wird gemäß den ermittelten Anforderungen ein geeignetes Datenmodell entwickelt sowie Bewertungskriterien betrachtet. In Kap. 4.4 wird das Modell der EA übertragen und geeignet erweitert. Die hierdurch nötige Spezialisierung der Variationsoperatoren wird anhand zahlreicher nach Typ geordneter Operatoren in Kap. 4.5 und Kap. 4.6 vorgenommen und deren lokale Verwendung gezeigt. Die Evaluation erfolgt bei den jeweiligen Schritten in Kap. 4 und für zusammengesetzte Verfahren und das Gesamtsystem in Kap. 5. Es werden mehrere Testfälle und Beispiele aus der Praxis unterschiedlicher Komplexität vorgestellt und analysiert. Die Praxistauglichkeit des Verfahrens wird durch eine Liste der Anwender abgerundet. Kap. 6 stellt Details der Implementation vor. Abschließend werden in Kap. 7 die erreichten Ziele zusammengefasst und bewertet sowie mögliche Erweiterungen diskutiert.

14 14 1. Einleitung

15 Kapitel 2 Stadtmodellierung Das folgende Kapitel stellt vorhandene Verfahren der 3D-Stadtmodellierung vor. Im zweiten Teil wird die vorliegende Arbeit in den Kontext der Geovisualisierung eingeordnet und es werden zugehörige Schnittstellen betrachtet. Das zu modellierende Stadtgebiet wird im Folgenden als Szene bezeichnet. 2.1 Vorhandene Verfahren Im Folgenden werden vorhandene Verfahren neutral vorgestellt und dann bezüglich der hier behandelten 3D-Stadtmodellierung bewertet. Es wird keine allgemein bewertende Aussage über die untersuchten Programme abgegeben, da diese teilweise für andere Aufgabenbereiche und für unterschiedliche Zielgruppen konzipiert und umgesetzt wurden und daher nicht allgemein vergleichbar sind CAD - Modellierwerkzeuge Die ältesten computergestützten Verfahren zur Erzeugung von 3D-Modellen sind Werkzeuge zur Unterstützung manueller Tätigkeiten. Dies drückt sich in der Bezeichnung CAD (Computer Aided Design) aus und umfasst viele Programme, die mit immer umfangreicheren Funktionen die manuelle Dateneingabe erleichtern. Beschreibung Zum Entstehungszeitpunkt vieler CAD-Programme lag ihre Hauptanwendung im exakten technischen Zeichnen (Abb. 2.1a), weshalb viele dieser Programme

16 16 2. Stadtmodellierung (a) (b) Abbildung 2.1: (a) Eine typische AutoCAD-Zeichnung und (b) ein Photomodeler-Projekt. darauf spezialisiert sind. Bekannte Beispiele sind AutoCAD [Autodesk 2006] von Autodesk oder FelixCAD [FelixCAT GmbH]. Mit steigender Rechnerleistung hielt die Computergrafik Einzug in Werbespots und Kinofilme. Dazu entstanden Programme, die sich auf die photorealistische Darstellung virtueller Objekte spezialisierten und neben vielen Grundkörpern auch Texturen, Bewegungsmodelle und Beleuchtung berücksichtigen. Bekannte Beispiele sind Maya [Mahintorabi 2005; Silicon Graphics 2005], Blender ( [Roosendaal u. Selleri 2004]) und 3D-Studio Max [Discreet 2006; Wendt 2001]. Trotz aller umfangreichen Hilfen blieben diese Programme CAD, also computergestützte Handarbeit. Bewertung Mit CAD können beliebige Szenen modelliert werden, jedoch ist dies mit umfangreicher Erfassungstätigkeit verbunden. Alle Objekte müssen manuell dreidimensional eingegeben werden, wobei bei existierenden Vorlagen die einzugebenden Daten erst erfasst werden müssen. Beispielhaft müssen bei der Modellierung eines Kirchturmes erst verschiedene Längen und Winkel vor Ort ermittelt werden, um diese dann korrekt eintragen zu können. Dieser Aufwand ist für die untersuchte Aufgabe nicht vertretbar Geländemodellierer Unter dieser Rubrik lassen sich einige Verfahren und Produkte zusammenfassen, die auf die Erfassung, Auswertung und Darstellung von digitalen Geländeund Oberflächenmodellen (DGM, DOM) und Landschaftsdaten spezialisiert

17 2.1. Vorhandene Verfahren 17 sind. Es wurden u.a. das auf dem Visualization Data Explorer von IBM beruhende Open Source-Projekt OpenDX [OpenDX] sowie der Geländemodellierer Terragen der Firma Planetside ( untersucht. Geländemodellierer ermöglichen die komfortable Erstellung virtueller Berglandschaften, unterstützen jedoch nicht oder nur minimal die Modellierung von Gebäuden und haben daher für die hier untersuchte Zielsetzung keine Relevanz Photogrammetrische Verfahren Laut [Heipke 2005, Kap.1] ist Photogrammetrie die Kunst, Wissenschaft und Technologie zur Gewinnung zuverlässiger Informationen über Objekte der physischen Welt und der Umwelt durch Aufzeichnung, Messung und Interpretation von Bildern und digitalen Darstellungen davon, die durch berührungsfreie Sensorsysteme gewonnen wurden. Die Photogrammetrie wird in die Bereiche Nahbereichsphotogrammetrie und Fernerkundung aufgeteilt. Die Fernerkundung liefert eine für die hier untersuchte Aufgabenstellung zu grobe Auflösung und ist nicht zur Modellierung einzelner Gebäude geeignet. Aufgrund der Vielzahl photogrammetrischer Methoden [Maas 1997] werden im Folgenden nur für die Zielsetzung relevante Verfahren der Nahbereichsphotogrammetrie betrachtet. Inwieweit photogrammetrische Methoden in das Konzept dieser Arbeit integriert werden können, wird in Kap untersucht Bündelblockausgleichung Die Bündelblockausgleichung [Triggs u. a. 2000] erwartet mehrere sich mindestens teilweise überlappende Bilder der zu erstellenden Szene. Es werden Punktkorrespondenzen angegeben und anhand der Bildkoordinaten der korrespondierenden Punkte durch eine Ausgleichsrechnung von Bündelblöcken deren Raumkoordinaten und somit echte 3D-Geometrie berechnet. Das 3D-Modell kann durch mindestens drei vorgegebene Punkte in ein gegebenes Koordinatensystem transformiert oder durch eine Längenangabe richtig skaliert werden. Die nötige Handarbeit besteht einerseits in der Aufnahme oder Beschaffung geeigneter Bilder und andererseits der Digitalisierung der korrespondierenden (auch: homologen) Geometrie. Alle Maße werden den Bildern entnommen. Durch die Zuordnung der Bildpunkte zu Raumpunkten können benötigte Texturen automatisch den Bildern entnommen und entzerrt werden.

18 18 2. Stadtmodellierung Abbildung 2.2: Canoma - Geometrieauswahl Photomodeler Das Programm Photomodeler von Eos Systems [Eos Systems] ist nach eigenen Angaben Marktführer auf dem Gebiet der Rekonstruktion von 3D-Objekten aus Bilddaten. Es wurden die Versionen 3.0 und 5.0 (Abb. 2.1b) getestet. Beschreibung Zuerst werden Bilddateien in den üblichen Bitmap-Formaten importiert und kameraspezifische Daten erfasst. Danach kann in den Bildern jeweils 2D-Geometrie (Punkte, Linien, Flächen) digitalisiert werden. Jedes Geometrieobjekt sollte in mehreren Bildern vorkommen und kann in einem weiteren Schritt aufeinander referenziert werden. So aufbereitete Projekte können berechnet, als 3D-Modell betrachtet und als VRML exportiert werden. Bewertung Photomodeler eignet sich zur Modellierung einzelner Objekte anhand mehrerer Bilder. Es ist jedoch irritierend, dass beim Erstellen eines Projekts die zu erwartende Gesamtgröße der Szene in Metern, der Kameratyp (Digital, Analog, Video, Scanner,... ) und die verwendete Brennweite fest eingegeben werden müssen. Bei der Wahl von flexible Brennweite wird der Nutzer aufgefordert, nur eine Brennweite zu nutzen und diese anzugeben. Weitere Einstellungen folgen. Neben diesen Einschränkungen fällt auf, dass nur Bitmapbilder als Ausgangsdaten akzeptiert werden. Es können also weder Grundrisse, existierende Modelle noch sonstige Zusatzinformationen und Geometrieattribute verwendet werden. Photomodeler ist konzeptionell auf die Modellierung einzelner Objekte ausgelegt und beinhaltet keine Konzepte zur Erstellung ganzer 3D-Stadtmodelle Canoma Canoma [MetaCreations 1999] wurde von MetaCreations entwickelt und vertrieben, von Adobe aufgekauft und dann eingestellt. Vollversionen sind nur noch über ebay und die letzte freie Testversion gelegentlich auf Freeware-Seiten zu finden. Weitere Informationen finden sich unter

19 2.1. Vorhandene Verfahren 19 (a) (b) Abbildung 2.3: Canoma - (a) Ein einfaches und (b) ein sehr komplexes Projekt Beschreibung Canoma baut auf das Setzen dreidimensionaler Primitive wie Quader, Pyramiden oder Prismen (Abb. 2.2) und deren korrektes Einpassen in folgende Bilder auf. Dies ist recht komfortabel in der Eingabe und Canoma erhält hierdurch viele zur 3D-Berechnung hilfreiche Informationen. In Abb. 2.3b finden sich neben Quadern auch ein Torbogenelement und Prismen mit dreieckiger Grundfläche. Es kann eine Bodenplatte untergelegt, die Szene berechnet, in der 3D-Sicht betrachtet und als VRML exportiert werden. Texturen werden automatisch aus den Bildern entnommen. Bewertung Es wurde die neuste Testversion [MetaCreations 1999] geprüft. Canoma ist zur schnellen Modellierung einfacher und aus geometrischen Primitiven zusammengesetzten Szenen geeignet und erfreut durch angenehme Handhabung. Neben dem technischen Hindernis der eingestellten Entwicklung wurde auch hier ein anderes Ziel verfolgt: Anwendungsfeld ist die schnelle Modellierung geometrischer Gebilde anhand von Bildern. Wie bei Photomodeler (Kap ) existiert keine Möglichkeit zur Einbindung vorhandener 3D-Modelle, Grundrisse, semantischer Informationen, Einpassungsstützpunkte und sonstiger Vorgaben Magan Das Photogrammetrie-Paket Magan der Firma Offset [Offset 2006] nimmt einen ähnlichen Weg wie Canoma. Zahlreiche Basiskörper (Abb. 2.4a) stehen zur Nachmodellierung der Bilddaten zur Verfügung. Diese werden in den Bildern digitalisiert und miteinander in Beziehung gesetzt. Die Geometrie wird anhand eines Baumes strukturiert (Abb. 2.4b links). Wie an den Basiskörpern ersichtlich, liegt der Schwerpunkt bei technischen

20 20 2. Stadtmodellierung (a) (b) Abbildung 2.4: Magan - Die (a) Basiskörper und (b) Geometriestruktur mit 3D-Ansicht. Apparaturen, Röhren- und Maschinensystemen. Es ist keine spezielle Unterstützung von Stadtmodellen vorgesehen und die entsprechenden Methoden (siehe vorherige Abschnitte) fehlen daher COP-Bilder In [Appel 2005] wird ein Verfahren zur Integration zweidimensionaler technischer Zeichnungen in Bilder zu je einem registrierten orthographischen und perspektivischen Bild (COP-Bild) entwickelt. Spezielle Orientierungs- und Rekonstruktionsmethoden liefern nach erfolgter Bündelausgleichung das gewünschte 3D-Modell. Das Verfahren eignet sich zur Erfassung kompakter Industrieanlagen, ist jedoch nicht für 3D-Stadtmodelle ausgelegt Leica Photogrammetry Suite Die Photogrammetry Suite von Leica ist noch in der Entwicklung (Stand 2005), es sind jedoch schon einige Vorabinformationen unter abrufbar. Eine Test- oder Vollversion gab es zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht. Laut Aussage des Programmherstellers soll Bildverarbeitung, Photogrammetrie und 3D-Ansicht in einem Programm zusammengefasst sein. Trotz zahlreicher Beschreibungen findet sich jedoch kein Hinweis auf eine Importmöglichkeit von Grundrissen, 3D-Modellen, Attributverwaltung oder Ähnlichem. Darüber hinausgehende Informationen waren nicht erreichbar [Leica-Vertreter u. Weitzig 2004] Stereoskopie Die Stereoskopie gewinnt 3D-Informationen aus Bilderpaaren anhand leicht versetzter Augenpunkte. Die speziell hierfür entwickelte Stereokamera nimmt

21 2.1. Vorhandene Verfahren 21 (a) (b) (c) (d) Abbildung 2.5: MIP Uni Kiel - (a) Ein Originalbild, (b) eine Tiefenkarte und die 3D-Ansicht des erzeugten Modells (c) aus Photoperspektive und (d) von der Seite. beide Halbbilder zeitgleich auf MIP Uni Kiel Das Institut für Informatik und Praktische Mathematik der Universität Kiel hat in seiner Abteilung Multimediale Informationsverarbeitung (MIP = Multimedia Information Processing) ein System zur Rekonstruktion von 3D-Modellen aus Bildern entwickelt [Multimedia Information Processing 2003]. Beschreibung Es werden Bildpaare mit jeweils 5 bis 10 Grad Aufnahmewinkelunterschied epipolar 1 entzerrt. Mit einer Stereokorrespondenzanalyse werden Tiefenkarten der Bilder berechnet (Abb. 2.5b). Abschließend werden die Tiefenkarten in ein 3D-Oberflächengitter umgerechnet und mit einer Bildtextur versehen (Abb. 2.5c,d). Bewertung Die vorhandenen Beispiele beeindrucken auf den ersten Blick, zeigen jedoch bei näherer Betrachtung zugleich die Grenzen des Verfahrens. Durch die Tiefenkarten und deren Umwandlung in ein Drahtgittermodell entsteht selbst bei den übersichtlich wirkenden Beispielen ein immenses Datenaufkommen. Die nach mehreren Stunden erfolgte Ausgabe zu Abb.2.5a ergibt genau ein Polygon mit Punkten. Trotz der übermäßig feinen Auflösung des erzeugten Polygonnetzes ist eine korrekte Darstellung auf das Umfeld der Kameraposition, deren Tiefenkarte verwendet wurde, beschränkt. Bei größeren Winkeländerungen ergeben sich starke Verzerrungen, die beispielhaft in Abb.2.5d zu sehen sind. Aufgrund des umfangreichen Datenvolumens, der Winkeleinschränkung bei 1 Die Epipolargeometrie beschreibt die geometrischen Zusammenhänge zwischen dem Augenpunkt der Kamera, Punkten im Raum und ihren Abbildungen auf Bildflächen (Kap. A.2.4, [Luong u. a. 1993, Kap. 2.2], [Luong u. Faugeras 1993]).

22 22 2. Stadtmodellierung Aufnahme und Ergebnis sowie des Nichtvorhandenseins weiterer Strukturen und Methoden zur Erstellung großer und komplexer Szenen eignet sich das Verfahren hauptsächlich zur Erfassung von kleinen Ausschnitten oder Einzelobjekten. Vorteilhaft ist die unkomplizierte Modellierung stark unebener Oberflächenstrukturen Bewertung Besonders bei kompakten Objekten liefern Verfahren der Nahbereichsphotogrammetrie in einigen Fällen sehr gute Ergebnisse. Sie bieten sich jedoch, zusätzlich zu den jeweiligen verfahrenstypischen Nachteilen, wegen der großen Menge benötigter Photos, dem Finden von Punktkorrespondenzen und der Instabilität bei langen Sequenzen [Gonzo u. a. 2004, Kap. 2.3] nicht bei größeren Szenen an Grundrissbasierte Verfahren Aus Grundrissen und Zusatzinformationen werden Klötzchenmodelle erzeugt ArcView 3D Analyst Die 3D-Geovisualisierungs-Komponente ArcView 3D Analyst von ESRI ermöglicht ein Aufziehen von Grundrissinformationen auf ein Geländemodell (Abb. 2.6a). Durch Höheninformationen von Objekten kann hieraus schnell ein einfaches Klötzchenmodell erzeugt werden (Abb. 2.6b). Es liegt demnach ein LoD 1 vor, welcher für die untersuchte Aufgabenstellung zu wenig Details besitzt, jedoch gut als Ausgangsmodell nutzbar ist D-Scanner Als 3D-Scanner werden technische Systeme bezeichnet, die durch Abtastung mit einem Laserstrahl und Auswertung seiner Laufzeit ihre Umgebung dreidimensional erfassen Leica HDS Leica hat auf der Intergeo 2004 das Leica High-Definition Surveying (HDS) als einziges Leica-Verfahren zur 3D-Erfassung genannt und vorgestellt.

23 2.1. Vorhandene Verfahren 23 (a) (b) Abbildung 2.6: ArcView 3D Analyst: Grunddaten auf (a) einem Geländemodell und (b) mit Objekthöhe Beschreibung Beim HDS [Leica Geosystems 2004] wird ein leistungsfähiger 3D-Scanner (z.b. Leica HDS3000, HDS2500 oder HDS4500) über einem Vermessungspunkt aufgestellt und gestartet. Die Umgebung wird in einer gewählten Auflösung mit einem Laserstrahl abgetastet. Durch eine Laufzeitmessung oder das Phasenverfahren (HDS4500) wird die Entfernung des aktuellen Punktes bestimmt. Resultat ist eine Punktwolke, die durch ein vom 3D-Scanner aus aufgenommenes Bild noch texturiert werden kann. Bewertung Mit Leica HDS lassen sich komplexe 3D-Strukturen schnell und hochauflösend erfassen. Die generierten Punktwolken sind jedoch unhandlich in der Weiterverarbeitung und lassen sich nicht einfach zu texturierten Elementen zusammenfassen. Diese durch spezielle Auswertesoftware unterstützte Modellierung zu sinnvollen Geoobjekten beanspruchte z.b. in [Böhm u. Schuhmacher 2005] 73% des Gesamtarbeitsaufwandes. Zu ignorierende Hindernisse (Bäume, Autos,... ) verfälschen das Ergebnis und sind nur aufwändig entfernbar. Die texturierte Darstellung ist nur aus größerer Entfernung und bei größerem Blickwinkel zufrieden stellend [Böhm u. Schuhmacher 2005] und es wird mit dem 3D-Scanner teure Spezialhardware benötigt. Das Zusammenführen mehrerer Punktwolken ist durch spezielle Messmarken möglich Verarbeitung der Punktwolken [Vosselman u. a. 2004] untersucht verschiedene Verfahren zur Weiterverarbeitung der durch Laserscanning entstandenen Punktwolken. Selbst komplexe Strukturen wie Bäume lassen sich relativ gut rekonstruieren, jedoch hängt

24 24 2. Stadtmodellierung der jeweils optimale Algorithmus von dem untersuchten Problem ab [Vosselman u. a. 2004, Kap. 5.4] und die bei Gebäuden üblichen harten Kanten sind schlecht aus umgebenden Punktwolken approximierbar Weitere monolithische Verfahren Im Folgenden werden einige weitere nicht-modulare Verfahren angeschnitten IMAGINE Software Suite ERDAS Software wurde von Leica aufgekauft und wird nun auch von ESRI angeboten. Die ERDAS IMAGINE Software Suite [ERDAS a] behandelt hauptsächlich die Erstellung von Karten durch Luftbilder und bietet dazu Funktionen zum Bearbeiten, Entzerren und Zusammenfügen der Einzelteile. Methoden zur 3D- Stadtmodellierung sind nicht zu finden Photogrammetry Product Suite, Stereo Analyst Die ERDAS Photogrammetry Product Suite [ERDAS b] enthält neben diversen Formatfiltern und Anzeigemodulen hauptsächlich Komponenten zur photogrammetrischen Behandlung von Luft- und Satellitenbildern sowie das auch einzeln von Leica beziehbare Programm Stereo Analyst. Mit Stereo Analyst können Modelle als Stereobilder angezeigt und mit einer passenden Shutterbrille betrachtet werden, es dient jedoch auch der Datenerfassung. Im Benutzerhandbuch [Curry 2003] taucht, neben diversen hier nicht relevanten Modulen, Photogrammetrie nur in Bezug auf Luftbilder und Geländemodelle auf. Ein Verfahren zur Berechnung von 3D-Stadtmodellen aus Fassadenphotos, die zum Erreichen der gewünschten Auflösung nötig sind, ist nicht vorhanden. Dies wurde in [Leica-Vertreter u. Weitzig 2004] bestätigt Verfahren mit Monte-Carlo-Techniken Monte-Carlo-Algorithmen liefern Näherungslösungen für eine Vielzahl komplexer Probleme. Indem bis zu einer festen Wahrscheinlichkeit eine falsche Lösung akzeptiert wird, können einige Aufgaben sehr effizient und, durch mehrfaches Wiederholen, mit kleiner Fehlerwahrscheinlichkeit gelöst werden. In [Früh u. Zakhor 2004] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein horizontaler und ein vertikaler Laserscanner auf einem Fahrzeug montiert sind.

25 2.1. Vorhandene Verfahren 25 Die Daten werden ununterbrochen während der Fahrt aufgezeichnet. Der vertikale Scanner erfasst die Gebäudefassaden, der horizontale Scanner dient zur Verfolgung der Fahrzeugbewegung. Da der ermittelte Weg durch Ungenauigkeiten nach einiger Zeit abdriftet, wird bei der Nachverarbeitung eine Korrektur gegen ein Luftbild oder digitales Oberflächenmodell durchgeführt. Dazu wird der erfasste Weg mit MCL (Monte Carlo Localization)[Fox u. a. 1999] anhand markanter Kanten im Luftbild (bzw. im Oberflächenmodell) korrigiert. MCL ist ein Spezialfall der wahrscheinlichkeitstheoretischen Markov-Lokalisierung [Burgard u. a. 1998]. Die Bestimmung der genauen Fahrzeugposition zu den vertikalen Scans ergibt eine 3D-Punktwolke, die zu Flächen trianguliert werden kann. Das Verfahren ermöglicht eine schnelle Erfassung von Gebäudevorderseiten ganzer Stadtteile. Jedoch werden genau die durch den vertikalen Scanner erfassten Objekte modelliert und daher Hindernisse wie Autos oder Bäume halbseitig abgebildet und ihre Schatten als Löcher in der Fassade wahrgenommen [Früh u. Zakhor 2004, S. 22]. Bei der untersuchten Zielsetzung spielt die Nutzung heterogener Ausgangsmodelle in einem gemeinsamen Pool eine wichtige Rolle. Durch das Konzept der Individuen bei den EA, welche sich durch ihre Gene und Fitnessfunktionen auszeichnen (Kap. 4.1), können diese gut abgebildet werden. Weiterhin können verschiedene und voneinander unabhängige Operatoren gut in die EA eingebracht werden (Kap. 4.5). Die Abbildung heterogener Ausgangsmodelle einerseits und verschiedener Operatoren andererseits unter einem gemeinsamen Dach lässt sich bei den EA besser umsetzen als in anderen wahrscheinlichkeitsbasierten Verfahren. Weiterhin können bei den EA über viele Schritte und Operatoren hinweg alternative Wege verfolgt werden. Der allgemeine und flexible Ansatz der EA ermöglicht die Integration zahlreicher weiterer Konzepte, so dass Verfahren wie in [Früh u. Zakhor 2004] als Operatoren aufgenommen werden können Modulare Verfahren Einige aktuelle Entwicklungen haben den Vorteil multipler Ausgangsmodelle erkannt und, meist problembezogen, Kombinationen vorhandener Verfahren entwickelt. In [Tunc u. a. 2004] wird beispielsweise erst ein Gebäude mit Fassadenphotografien in Photomodeller [Eos Systems] erstellt, um dann exportiert, nach ArcView importiert und dort manuell georeferenziert und so auf einen Grundriss eingepasst zu werden. Die Verbindung von Photogrammetrie mit Laserscanner-Punktwolken wird in

26 26 2. Stadtmodellierung [Forkuo u. King 2004] untersucht. [Mahmoud 2004] passt 3D-Objekte in Orthophotos ein. [Gonzo u. a. 2004] geht weiter und nutzt zur Modellierung historischer Schlösser einen Grundriss, Fernphotogrammetrie (Bilder vom Hubschrauber), Nahbereichsphotogrammetrie und Laserscann-Daten, fügt diese aber nach eigenem Ermessen in einem linearen Ablauf zusammen. Dort wird auf Methoden zum Zusammenfügen von Modellen, die aus verschiedenen Techniken entstanden sind, in [Flack u. a. 2001] verwiesen. Wie bei vielen weiteren Beispielen finden sich in [Flack u. a. 2001] zwar gute Teilkonzepte, doch das eigentliche Zusammenführen erfolgt auf manueller Basis anhand eines verzweigungsfreien strikten Ablaufs und betrachtet weder mögliche Widersprüche, Bewertungen noch Hypothesen. Bei CyberCity Modeler [CyberCity AG 2002] sind Ablauf und erwartete Eingangsdaten ähnlich starr und spezialisiert und die Kosten von ca. 90 bis zu 100 e je Gebäude ohne Kosten für die Software und Korrekturen (lt. Herstellerangaben) [Koppers 2002, S. 105] recht hoch. [Yang u. a. 2004] vergleicht 12 verschiedene DTM-Interpolationsmethoden, um im Fazit festzustellen: There is no absolutely best method but only the optimal choice under certain circumstances. [Yang u. a. 2004, Kap. 5]. Daher bietet es sich an, viele und durchaus widersprüchliche Methoden unter einem Dach zu verbinden Gesamtbewertung Die unter Bündelblockausgleichung in Kap betrachteten Systeme kommen der untersuchten Aufgabenstellung am nächsten. Jedoch sind, neben diversen individuellen Einschränkungen, bezüglich der untersuchten Aufgabenstellung nachfolgend beschriebene Probleme erkennbar Monolithisch oder Modular Übliche Verfahren bestehen aus einem monolithischen Algorithmus, der die Eingabedaten in einer fest vorgegebenen Form verarbeitet. Daher haben diese Verfahren ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Sogar die in Kap vorgestellten modularen Verfahren können wegen ihres festgelegten Ablaufs als monolithisch betrachtet werden. Um die Vorteile unterschiedlicher Ansätze nutzen zu können, müssen diese modular unter einem Dach zusammengefasst und ihre verschiedenen Ergebnisse sinnvoll weiterverarbeitet und zu einem umfassenden Zielmodell überführt werden. Dies findet sich in keinem der untersuchten Verfahren.

27 2.1. Vorhandene Verfahren Nutzung vorhandener Modelle Im Kontext der 3D-Stadtmodellierung existiert üblicherweise bereits eine heterogene Datengrundlage über die zu modellierende Szene, deren Nutzung den Arbeitsaufwand verringern und die Ergebnisqualität steigern kann. Neben der rein technischen Umsetzung verschiedener Importfilter müssen Datenmodell und Berechnungsverfahren auf die Zusammenführung heterogener Ausgangsmodelle ausgelegt sein. Dies ist in keinem der untersuchten Verfahren hinreichend umgesetzt Typübergreifende Korrespondenzen Die Zusammenführung von Ausgangsmodellen verschiedenen Typs (z.b. 2D- Grundriss, 3D-Modell, Fassadenphoto) erfordert ein Konzept, um typ- und dimensionsübergreifend Beziehungen setzen und bearbeiten zu können. Hierzu müssen geeignete und ineinander greifende Module geschaffen und das Datenmodell entsprechend entworfen werden. Durch Korrespondenzen werden heterogene Ausgangsmodelle zu einer zusammenhängenden Berechnungsgrundlage verbunden. Diese Methodik findet sich in keinem der untersuchten Verfahren Semantische Informationen Die meisten Systeme verwalten keine semantischen Informationen. Einige wenige schleifen diese als Zusatzinformationen mit, nutzen sie jedoch nicht bei der Berechnung der Szene. Einige Attribute beinhalten jedoch Informationen über zugehörige Geometrie. So können z.b. bei einer als Firstlinie gekennzeichneten Linie oder einer als Grundriss deklarierten Fläche Aussagen über ihre Ausrichtung und relative Anordnung zu anderer Geometrie gemacht werden. Besonders bei lücken- oder fehlerhaften Ausgangsdaten ist es daher sinnvoll, vorhandene semantische Informationen in die Berechnung und Bewertung des Zielmodells einzubeziehen. Hierzu sei auf die Hypothesen in Kap. 4.6 verwiesen Bewertungskriterien Einige Datenquellen sind zuverlässiger und genauer als andere. Selbiges gilt für die modular eingebundenen Berechnungsalgorithmen. Durch die Vergabe und Auswertung von passenden Qualitätskriterien werden solche Kenntnisse genutzt und unterstützen eine Verbesserung des Zielmodells. Die in Kap vorgestellten modularen Verfahren können diese Methodik

28 28 2. Stadtmodellierung nur ansatzweise nutzen, da aufgrund des starren Ablaufs nicht umfangreich auf aus der Bewertung folgende Konsequenzen (z.b. Änderung der Reihenfolge der Module) eingegangen werden kann. Andere Verfahren nutzen diese Methodik nicht, da sie nur eine Datenquelle und einen Algorithmus verwenden. 2.2 Einordnung in die 3D-Geovisualisierung Bei der Entwicklung neuer Verfahren müssen vorhandene Konzepte, Abläufe, Infrastrukturen und Schnittstellen berücksichtigt werden. Dies ist wichtig für die spätere Verbindung verschiedener Verfahren. Daher wird im Folgenden die vorliegende Arbeit in die 3D-Geovisualisierung eingeordnet Allgemeine Betrachtung der 3D-Geovisualisierung Im Folgenden wird die 3D-Geovisualisierung umrissen und anhand des OGC 2 - Modells der Visualisierungspipeline ein modularer Gesamtablauf betrachtet Definition [... ], alle Nachrichten über reale Erscheinungen und über abstrakte Sachverhalte werden für die Möglichkeiten eines optischen Kanals in einer Weise aufbereitet und präsentiert, die man insgesamt als Visualisierung (1.5.2) bezeichnet. [Hake u. a. 2002, Kap ] Die Aufbereitung der Daten wird im folgenden auch als Modellierung, die Darstellung als Rendern bezeichnet. Im referenzierten Absatz wird Visualisierung in die drei Stufen Modellierung ( Formalisierung und Realisierung ), Darstellung und Wahrnehmung und abschließend die individuelle Auswertung anhand eines personenspezifischen Vorstellungsmodells eingeteilt. Durch die Aufbereitung und Darstellung der Daten soll ein Erkenntnisgewinn ermöglicht werden. Als Spezialgebiete der Visualisierung gelten u.a. die Geodaten-Visualisierung, die Kartographie und die Computer-Grafik, welcher als modernes Untergebiet die Virtuelle Realität (VR) zugeordnet ist, die eine interaktive Bewegung des Anwenders in virtuellen (scheinbaren) 3D-Räumen (Cyberspace) [Streit 2004, Kap. 1] ermöglicht. 2 Das Open Geospatial Consortium (OGC) ist eine Organisation mit dem Ziel der Schaffung allgemein gültiger Standards im Bereich der Geodatenverarbeitung [Open Geospatial Consortium].

29 2.2. Einordnung in die 3D-Geovisualisierung 29 Es wird generell zwischen den zwei Phasen Modellierung und Rendern unterschieden. Als Modellierung gilt die Erfassung, Zusammenstellung und Vorbereitung der darzustellenden Daten, während die endgültige Ausgabe z.b. auf einen Bildschirm, einen Drucker oder als Rasterbild als Rendern bezeichnet wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Modellierung bei 3D-Stadtmodellen Vor- und Nachteile Durch virtuelle 3D-Stadtmodelle ist ein besseres Verständnis räumlicher Zusammenhänge möglich. Das 3D-Stadtmodell kann aus verschiedenen Perspektiven und Entfernungen betrachtet und durchwandert werden (Virtual Reality) sowie als Grundlage unterschiedlicher Berechnungen und Darstellungen dienen. Die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten wurden in Kap. 1.1 betrachtet. Entscheidender Nachteil ist die meist aufwändige Erfassung, die mit dieser Arbeit durch einen neuartigen Ansatz entlastet werden soll Visualisierungspipeline In [May u. a. 2003], [Schmidt u. a. 2003] und [Kolbe 2004] werden Architekturen für eine im Netzwerk verteilte 3D-Geovisualisierung beschrieben. Auch wenn das in dieser Arbeit betrachtete Verfahren nicht speziell für Netzwerke ausgelegt ist, so gelten doch ähnliche Regeln für die Verzahnung verschiedener Arbeitsschritte und Verfahren. Die Motivation liegt in der Aufteilung des Arbeitsprozesses in einzelne Module mit definierten Schnittstellen, so dass diese örtlich und besonders programmtechnisch getrennt voneinander ablaufen und flexibel miteinander kombiniert werden können. Das OGC-Modell des Visualisierungsprozesses ist in Abb. 2.7a dargestellt und nutzt nur eine Datenquelle. Da die vorliegende Arbeit mehrere heterogene Ausgangsmodelle zeitgleich verarbeiten soll, erfolgt an dieser Stelle eine entsprechende Erweiterung. Diese Erweiterung wurde bereits in [Kolbe 2004, Kap.2] als Möglichkeit der Komponentenstruktur der Visualisierungspipeline genutzt. Abb. 2.7b stellt das erweiterte Modell dar. Es wurde eine weitere Ebene im Ablauf ergänzt, die die einzelnen Ausgangsmodelle vom Ursprungsformat in die Menge der Ausgangsmodelle als Segmente (Abb. 2.7b, Segments) überführt, dort eine Veredelung ermöglicht und durch EA das Zielmodell (Abb. 2.7b, Features) erreichen lässt. Ein Segment ist ein für die 3D-Stadtmodellierung in dieser Arbeit spezialisiertes Individuum der EA (Kap. 4.1).

30 30 2. Stadtmodellierung (a) (b) Abbildung 2.7: (a) Das OGC-Modell des Visualisierungsprozesses und (b) die hier erweiterte Variante Die Ausgangsmodelle als Segmente besitzen noch ihre lokalen Koordinatensysteme und quellenspezifischen Inhalte, können aber durch eine erweiterte Struktur miteinander in Beziehung gesetzt werden. Das Zielmodell besitzt dann nur ein einheitliches Koordinatensystem. Wird die Datenselektion zu Segmenten und deren folgende Zusammenführung durch Veredelung und EA als ein komplexer Auswahlvorgang betrachtet, so entspricht das verwendete Modell dem OGC-Modell Schnittstellen Adapter zur Ein- und Ausgabe von Daten an verschiedenen Stellen der Visualisierungspipeline ermöglichen erst den flexiblen Einsatz von Programmmodulen. Normierte Schnittstellen ermöglichen den Datenaustausch zwischen verschiedenen Anwendungen und sind für eine gebiets- und herstellerunabhängige Datenverarbeitung erforderlich [Kolbe 2004]. Im Folgenden werden 3D-Schnittstellen betrachtet und auf ihre konkrete Nutzbarkeit untersucht VRML und X3D Die Virtual Reality Modeling Language (VRML) wurde 1995 von SGI als 3D- Beschreibungssprache für das Internet eingeführt, die zusätzlich zur statischen

31 2.2. Einordnung in die 3D-Geovisualisierung 31 Geometrie auch Beleuchtung, Animationen, Verknüpfungen und grafikspezifische Zusatzinformationen, wie z.b. Blickpunkte, enthalten kann. VRML wurde 1997 als ISO-Standard festgeschrieben [Web3D Consortium 1997] (VRML97) und weiter über VRML99 zum abwärts kompatiblen und leistungsfähigeren Nachfolger X3D [Web3D Consortium 2004] entwickelt und als ISO-Standard (19775 bis 19777) definiert. VRML97 hat sich gut verbreitet und als Austauschformat von 3D-Modellen etabliert. Seine Nachfolger konnten sich noch nicht durchsetzen (Stand 2005). Vorteile Die große Verbreitung und Unterstützung von VRML ist ein entscheidender Vorteil, weshalb es sich als 3D-Austauschformat etabliert hat. Die Normierung als ISO-Standard sichert die plattformübergreifende Kompatibilität. Weiterhin existieren mehrere kostenlose und gut verfügbare Anzeigemodule, u.a. als Browser-Plugin, die ein einfaches Betrachten einer VRML-Datei ohne aufwändige Spezialsoftware ermöglichen. Nachteile Nachteilig bei der Bearbeitung von GIS-Daten ist, dass VRML rein grafikorientiert ist und keine semantischen Informationen vorsieht (siehe Kap ) CityGML CityGML [Kolbe u. Gröger 2003; Kolbe u. a. 2005] ist eine im Rahmen der SIG3D (Special Interest Group 3D) der GDI-NRW (Geodateninfrastruktur NRW) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kartographie und Geoinformation der Universität Bonn entwickelte Erweiterung des GML3-Schemas (siehe Kap. 3.2) unter Nutzung des Geometriestandards ISO Es ist speziell zur Abbildung von 3D-Stadtmodellen in mehreren LoDs und mit zusätzlichen semantischen Informationen ausgelegt und daher gut für die untersuchte Aufgabe geeignet. Nachteilig ist die zum Zeitpunkt der Arbeit geringe Verbreitung und Unterstützung von CityGML. Abb. 2.8 zeigt ein einfaches CityGML-Modell, von dessen Quelltext ein markanter Ausschnitt dargestellt ist SG-VRML SG-VRML (SupportGIS-VRML) ist eine im Rahmen dieser Arbeit in Kooperation mit der Firma CPA Geo-Information entworfene Erweiterung von VRML.